KR20140050684A

KR20140050684A - 메타물질을 사용한 안테나 격리 기법

Info

Publication number: KR20140050684A
Application number: KR1020147004604A
Authority: KR
Inventors: 마크 하퍼
Original assignee: 마이크로소프트 코포레이션
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-04-29
Anticipated expiration: 2032-08-16
Also published as: CN103999286A; EP2748893B1; WO2013027029A1; TWI590523B; JP2014527366A; KR101944568B1; EP2748893A1; GB201114625D0; GB201214655D0; TW201320467A; GB2495365A; CN103999286B

Abstract

하나 이상의 전도성 트랙에 의해 각각 형성된 단위 셀의 어레이를 포함하는 메타물질이 개시된다. 하나 이상의 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙은 다른 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙과 상이한 길이 또는 폭 또는 두께를 갖는다. 메타물질은 안테나들 사이의 격리를 향상시키기 위하여 둘 이상의 안테나들 사이에 배치될 수 있다.

Description

메타물질을 사용한 안테나 격리 기법{ANTENNA ISOLATION USING METAMATERIAL}

본 발명은 메타물질을 사용함으로써 안테나들 사이의 격리(isolation)를 향상시키기 위한 기술, 메타물질 그 자체, 및 이러한 메타물질을 포함하는 안테나 디바이스에 관한 것이다.

메타물질은 자연에서 찾을 수 없는 특성을 갖도록 엔지니어링된 인공 재료이다. 자연 발생 재료는 그의 원자 및 분자 구조에 의해 결정되는 전자기 거동을 나타낸다. 메타물질을 이용하여, 전자기 파가 재료를 통하여 전파하는 파장보다 작은 구조적 특징부를 그 자연 발생 재료 내에 도입함으로써 전자기 거동이 개질된다. 전형적으로, 이들 특징부는 λ/10 내지 λ/20의 크기를 가질 것이다. 그의 가장 단순한 형태에서, 이들 구조적 특징부는 예컨대, FR4(인쇄 회로 기판(PCB) 내에서 통상적으로 사용됨)와 같은 유전체 기판 상에 제작되는 분포된 용량성 및 유도성 소자이다. 더욱 복잡한 구조가 가능하며, 예컨대, 상용 커패시터와 같은 개별 구성요소의 사용이 또한 연구되었다.

안테나 설계자의 관점으로부터, 메타물질의 잠재적으로 가장 유용한 특성들 중 하나의 특성은 음의 굴절률을 갖는 구조물의 엔지니어링(engineering)이다. 음의 굴절률 재료는 자연적으로 발생되지 않는데, 이는 모든 천연 재료가 유전율(ε)과 투자율(μ) 둘 모두의 경우 양의 값을 갖기 때문이다. 통상적인 기하학적 회절 법칙, 도플러 편이의 반전, 등에 대한 변화를 포함하는 음의 굴절률 재료의 많은 흥미로운 특성이 있다. 그러나, 대개 무선 및 안테나 기술자가 가장 관심이 있는 특성은 음의 ε 또는 음의 μ(그러나, 둘 모두는 아님)를 갖는 재료가 전자기 방사에 대해 불투과성이라는데 있다. 투과성 재료의 전자기 특성은 매개변수 ε 및 μ에 의해 전체적으로 특정되지만, 이는

로부터 결정된 굴절률 n으로 지칭되는 것이 통상적이다. n이 음이 될 때, 예컨대, FR4(마이크로파 무선 주파수에서 자연적으로 반투과성임)와 같은 통상적인 유전체 기판 재료는 전파(radio wave)에 대해 불투과성이 될 수 있다. 이는 안테나들 사이의 격리를 향상시키고 인접한 전도성 표면들로부터 안테나를 보호하기 위한 응용들을 가질 수 있다.

음의 굴절률 메타물질은 적합한 커패시턴스 C와 인덕턴스 L을 갖도록 엔지니어링되는 전기 전도성 소자의 어레이를 사용하여 마이크로파 주파수에서 구성될 수 있다. 가장 먼저 그리고 가장 통상적으로 사용되는 소자들 중 하나의 소자는 분할 링 공진기(SRR; Spilt Ring Resonator)이다(문헌 [Pendry, J B.; AJ Holden, DJ Robbins, and WJ Stewart. "Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena" IEEE Trans . Microwave Theory Tech 47 (11): 2075-2084, 1999]). 각각의 SRR 소자는 스플릿(split)을 각각 갖는 둘 이상의 동심 링을 포함한다. 각각의 소자의 커패시턴스는 동심 링들 사이의 밀접 간격으로부터 발생되고, 인덕턴스는 링을 형성하기 위해 사용되는 얇은 인쇄 트레이스로부터 발생된다.

이는 이중 L-형 공진기 개재물을 좌-형(left-handed) 메타물질에 제공하는 것으로 알려졌다(문헌 [J. H. Lv, X. W. Hu, M.H. Liu, B. R. Yan and L. H. Kong.: "Negative refraction of a double L-shaped metamaterial", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11085101, 2009]). 여기서, L-형 공진기는 FR4 기판 상의 구리 배선으로 형성되고, 각각의 단위 셀은 하나의 L-형 공진기가 다른 공진기에 대해 180°만큼 회전된 상태로 배열되는 한 쌍의 L-형 공진기를 포함한다.

이는 또한 주변 트랙에 의해 둘러싸인 연속적인(back-to-back) L-형 전도성 부재를 메타물질에 제공하기 위한 것으로 슈(Hsu), C-C 등(문헌 ["Design of MIMO Antennas with Strong Isolation for Portable Applications"; IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009, pp 1-4])으로부터 알려졌다. 메타물질은 격리를 향상시키기 위하여 MIMO 안테나 쌍 사이에 배치될 수 있다.

다른 메타물질에는 예를 들어, 모저(Moser), H O 등(문헌 ["Electromagnetic metamaterials over the whole THz range - achievements and perspectives"; ELECTROMAGNETIC MATERIALS Proceedings of the Symposium R, ICMAT 2005 (World Scientific Publishing Co.): 18])에 기재된 바와 같이 분할-링 공진기 단위 셀이 구비된 것들이 포함된다.

통상적으로 사용되는 마이크로파 무선 주파수는 2.4 GHz이며, 이는 블루투스(Bluetooth)™ 링크, 무선 근거리 통신망(WLAN), 등의 경우에 이용된다. 2.4 GHz에서 파장은 대략 120 ㎜이고, 이에 따라 어레이 내의 각각의 LC 소자는 전형적으로 대략 6 ㎜ 내지 12 ㎜의 크기를 갖는 것으로 예상될 수 있다.

최근의 무선 통신 시스템은 대개 안테나 다이버시티 또는 MIMO(다중 입력, 다중 출력) 안테나 기술을 이용한다. 다이버시티 및 MIMO 시스템 둘 모두는 동시에 그리고 동일한 주파수에서 작동되는 하나 초과의 안테나를 필요로 하며, 이에 따라 안테나들 사이의 우수한 격리가 중요해진다. 열악한 격리는 안테나 효율의 손실을 야기하며, 이는 하나의 안테나로부터의 전력이 방사되는 대신에 다른 안테나에서 소멸되기 때문이다. 또한 안테나들 간 결합은 이들이 무선 다중경로 환경의 충분히 독립적인 샘플을 수신하지 않는 것을 의미하기 때문에, 열악한 격리는 다이버시티 및 MIMO 성능의 손실을 야기한다.

제1 양태로부터 볼 때, 하나 이상의 전도성 트랙에 의해 각각 형성된 단위 셀의 어레이를 포함하는 메타물질이 제공되며, 하나 이상의 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙은 다른 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙과 상이한 길이 또는 폭 또는 두께를 갖는다.

메타물질은 유전체 기판 내에 또는 그 위에 형성된 단위 셀의 2D 어레이를 포함할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 메타물질은 단위 셀의 2D 어레이의 스택을 포함할 수 있고, 단위 셀의 각각의 2D 어레이는 각각의 유전체 기판 내에 또는 그 위에 형성된다. 스택 내의 하나 이상의 유전체 기판은 스택 내의 유전체 기판들 중 하나 이상의 다른 기판과 상이한 유전 상수를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 이는 대역폭의 향상을 도울 수 있으며 이 대역폭에 걸쳐서 메타물질이 둘 이상의 안테나들 사이의 격리를 제공한다.

메타물질은 유전체 기판의 제1 표면 상에 단위 셀의 제1 2D 어레이, 및 유전체 기판의 마주보는 제2 표면 상에 단위 셀의 제2 2D 어레이를 포함할 수 있다. 단위 셀의 하나 이상의 추가 2D 어레이는 제1 2D 어레이와 제2 2D 어레이 사이의 유전체 기판 내의 개재 층 내에 형성될 수 있다.

하나 이상의 2D 어레이의 단위 셀은 하나 이상의 다른 2D 어레이 내의 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙과 상이한 길이 또는 폭 또는 두께를 갖는 하나 이상의 전도성 트랙에 의해 각각 형성될 수 있다. 이는 대역폭의 향상을 도울 수 있으며 이 대역폭에 걸쳐서 메타물질이 둘 이상의 안테나들 사이의 격리를 제공한다.

하나 이상 및 일반적으로 각각의 단위 셀은 분할-링 공진기와 같이 구성된 하나 이상의 전도성 트랙을 포함할 수 있다. 분할-링 공진기는 미러 평면(mirror plane) 주위에서 대칭일 수 있거나, 또는 비대칭일 수 있다. 본 발명의 문헌에서, 비대칭은 분할-링 공진기가 전도성 트랙의 평면에 수직한 거울 대칭 평면을 갖지 않는 것을 지칭한다. 비대칭 배열은 대칭 배열보다 더 넓은 대역폭에 걸쳐 격리를 제공할 수 있다.

하나 이상의 단위 셀은 제1 및 제2 L-형 전도성 부재를 포함할 수 있는데, 상기 전도성 부재는 부재들 간에 간격이 있는 상태에서 평면 내에 연속적으로 배치되고 평면 내에서 L-형 전도성 부재 둘 모두를 실질적으로 둘러싸기 위해 제1 L-형 전도성 부재의 암(arm)으로부터 제2 L-형 전도성 부재의 암으로 이어지는 주변 전도성 트랙에 의해 서로 연결된다.

바람직하게는, L-형 전도성 부재, 분할-링 공진기 및/또는 주변 전도성 트랙은 유전체 기판, 예를 들어 듀로이드(Duroid)® 또는 FR4와 같은 인쇄 회로 기판(PCB) 기판 상에, 또는 플렉시-회로에 대해 사용되는 것과 같은 가요성 플라스틱 기판 상에 형성된다. 일부 실시 형태에서, L-형 전도성 부재, 분할-링 공진기 및/또는 주변 전도성 트랙은 필요에 따라 그 뒤에 PCB 기판에 적용될 수 있는 접착 테이프의 형태로 유전체 기판 상에 인쇄 또는 형성될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 주변 전도성 트랙은 일반적으로 윤곽이 직사각형일 수 있다. 대안으로, 일반적으로 원형, 타원형, 난형 또는 다른 다각형 윤곽이 사용될 수 있다.

연속적인 L-형 전도성 부재들 사이의 간격에 해당하는 주변 전도성 트랙 내에 간격이 형성될 수 있다. 즉, 주변 전도성 트랙은 2개의 L-형 부재들 사이에서 분할될 수 있다.

대안으로, 주변 전도성 트랙은 2개의 L-형 부재들 사이에서 분할되지 않지만 연속적인 주연부를 형성한다.

소자들의 어레이는 일반적으로 2-D 구성을 갖는 n x m 어레이로서 구성될 수 있다. 대안으로, 소자들의 어레이는 일반적으로 3-D 구성을 갖는 l x n x m 어레이로서 구성될 수 있다. 추가 실시 형태에서, 메타물질의 몇몇의 층이 상호 적층될 수 있고, 각각의 층은 그 위에 형성된 동일하거나 또는 상이한 소자들의 2-D 어레이를 갖는다.

임의의 주어진 어레이 내의 소자들은 일반적으로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 대안으로, 임의의 주어진 어레이 내의 하나 이상의 소자들은 다소 상이한 크기 또는 형상을 가질 수 있어서 소자들이 다소 상이한 주파수에서 공진한다. 대안으로 또는 추가로, 하나 이상의 소자들 내의 L-형 전도성 부재들 중 하나의 L-형 전도성 부재가 다른 L-형 전도성 부재와 상이한 크기를 가질 수 있고 또는 상이하게 성형될 수 있다. 이들 배열은 대역폭의 향상을 도울 수 있다.

소자들의 각각의 어레이는 충전된 어레이(filled array)일 필요는 없다. 게다가, 하나 이상의 소자가 어레이로부터 제거될 수 있고, 이는 더 넓은 대역폭에 걸쳐서 격리도를 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 어레이가 충전되지 않기 때문에 공간이 허용될 수 있는 곳에서 하나 이상의 소자들의 위치를 변경함으로써 소정 정도의 조절을 제공할 수 있다. 예를 들어, 불완전하게 충전된 어레이는 2개의 소자의 좌측 칼럼, 2개의 소자의 우측 칼럼, 및 단지 하나의 소자만을 갖는 중간 칼럼을 포함할 수 있다. 중간 칼럼 내에서 소자를 칼럼의 위 또는 아래로 이동시킴으로써, 메타물질의 대역폭이 필요에 따라 미세-조절될 수 있다.

메타물질은 둘 이상의 안테나들 사이의 격리를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 안테나 다이버시티 또는 MIMO 기술을 사용하는 안테나 시스템에서 특히 선호되는데, 이는 이들이 작은 공간 내에서 동시에 작동되는 몇몇의 안테나를 이용하기 때문이다.

제2 양태로부터 볼 때, 본 발명은 2개 이상의 안테나 사이에 배치된 제1 양태의 메타물질의 부분과 기판 상에 배치된 2개 이상의 안테나를 포함하는 안테나 시스템을 제공한다.

또한, 소자들의 제1 패턴이 제1 표면 상에 형성되고 소자들의 제2 패턴이 제2 표면 상에 형성되는, 제1 및 제2 마주보는 표면이 구비된 유전체 기판을 포함한 메타물질을 사용할 수 있다. 소자들의 제1 및 제2 패턴은 상이한 주파수 또는 주파수 대역으로 조절될 수 있으며, 이중 표면 메타물질이 한 쌍의 이중-대역 안테나들 사이에 배치된 때에 이는 양 대역에서 안테나 격리를 향상시킬 수 있다.

소자들의 제1 패턴을 갖는 유전체 기판을 포함한 제1 메타물질을 형성하고, 소자들의 제2 패턴을 갖는 유전체 기판을 포함한 제2 메타물질을 형성하며, 그 뒤에 한 쌍의 안테나들 사이에서 제1 메타물질의 상부에 제2 메타물질을 배치함으로써 유사한 결과가 달성될 수 있다.

이 원리는 몇몇 대역에서 2개의 안테나들 사이의 격리를 향상시키기 위하여 다수의 메타물질 층 또는 표면으로 확장될 수 있다.

메타물질은 또한 공-면 형태 그리고 공-면 이외의 기하학적 형상으로 배치된 몇몇의 안테나를 포함하는, 몇몇의(둘 초과) 안테나들 사이의 격리를 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 메타물질의 전도성 구조물은 예를 들어, FR4와 같은 유전체 기판 재료의 일 표면 또는 양 표면 상에 인쇄되거나 또는 이와 달리 형성된다. 다른 실시 형태에서, 전도성 구조물은 예컨대, FR4와 같은 유전체 기판 재료의 개재 층 상에 인쇄되거나 또는 이와 달리 형성된다. 듀로이드(Duroid)®를 포함하는 다른 통상적인 PCB 기판 재료가 또한 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 동일한 또는 상이한 유전 상수를 갖는 유전체 기판의 다수의 층이 사용될 수 있다.

다른 저 또는 고 유전 상수 재료(전형적으로 1 내지 90의 범위)가 메타물질에 대한 기판으로서 사용될 수 있다.

소정의 실시 형태의 신규한 메타물질 구조물이 한 쌍의 근접하게 이격되어 배열된 안테나들 사이의 격리를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 형태의 메타물질 구조물은 이 구조물이 FR4의 층 상에 인쇄될 수 있을 만큼 비용이 저렴할 수 있고, 저비용 기판 재료가 대개 전파 산업에서 사용된다. 일부 실시 형태는 이중 대역 안테나 및 안테나 배열의 경우 메타물질이 양 대역들 사이의 격리를 향상시키기 위하여 엔지니어링될 수 있는 추가 이점을 갖는다. 이는 제1 층 위 또는 아래에서 LC 소자의 상이한 어레이로 인쇄되는 유전체 기판의 추가 층을 도입함으로써 달성될 수 있다. 게다가, 더 많은 대역들 사이의 격리가 더 많은 층을 도입함으로써 가능하다.

본 발명의 실시 형태는 첨부된 도면에 관하여 하기에서 추가로 기재된다:
도 1은 PCB 상에 한 쌍의 근접하게 이격되어 배열된 이중-대역 WLAN 안테나를 포함하는 종래 기술의 배열을 도시하는 도면;
도 2는 도 1의 배열의 2개의 WLAN 안테나들 사이의 격리를 나타내는 도표;
도 3은 PCB 상에 메타물질을 포함하는 제1 실시 형태를 도시하는 도면;
도 4는 PCB 상에 메타물질을 포함하는 제2 실시 형태를 도시하는 도면;
도 5는 도 4의 실시 형태의 제2 층과 도 3의 실시 형태의 제1 층을 포함하는 이중-대역 복합 메타물질을 포함한 제3 실시 형태를 도시하는 도면;
도 6은 도 1에 도시된 것들과 유사한 한 쌍의 WLAN 안테나들 사이에 배치된 도 5의 메타물질을 도시하는 도면;
도 7은 도 6의 배열의 2개의 WLAN 안테나들 사이의 격리를 도시하는 도표;
도 8은 메타물질의 하나의 층 상에서 중간 소자를 이동시킴으로써 도 5의 실시 형태의 메타물질이 조절될 수 있는 방식을 도시하는 도면;
도 9는 메타물질의 하나의 층 상에서 중간 소자가 이동될 때 도 6의 배열의 2개의 WLAN 안테나들 사이의 격리를 도시하는 도표;
도 10은 하나 이상의 분할-링 공진기가 다른 공진기와 상이한 크기를 갖는, 유전체 기판 상에 분할-링 공진기의 2D 어레이를 포함하는 메타물질을 도시하는 도면;
도 11은 하나 이상의 분할-링 공진기가 다른 공진기와 상이한 형상을 갖는, 유전체 기판 상에 분할-링 공진기의 2D 어레이를 포함하는 메타물질을 도시하는 도면;
도 12는 유전체 기판의 일 표면 상에 제1 구성을 갖는 분할-링 공진기의 2D 어레이 및 유전체 기판의 다른 표면 상에 제2의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기의 2D 어레이를 포함하는 메타물질을 도시하는 도면;
도 13은 유전체 기판의 일 표면 상에 제1 구성을 갖는 분할-링 공진기의 2D 어레이, 유전체 기판의 다른 표면 상에 제2의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기의 2D 어레이, 및 유전체 기판의 표면들 사이에 제3의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기의 개재 2D 어레이를 포함하는 메타물질을 도시하는 도면.

도 1에는 2개의 공면 2.4/5 GHz 이중-대역 1/4-파 모노폴 안테나(1, 2)가 도시되는데, 이 안테나는 유전체 기판(4)의 일부에 걸쳐서 전도성 접지면(5)이 구비된 유전체 기판(4), 및 안테나(1, 2)가 배치되는 접지면(5)이 없는 영역(6)을 포함하는 PCB(3) 상에서 일반적으로 평행한 배열로 밀접하게 이격되어 배치된다(closely spaced). 이는 단지 예시적인 배열이며, 다른 유형의 안테나와 다른 주파수 대역이 메타물질 설계의 적합한 조절이 제시된 본 출원의 실시 형태와 함께 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 도 1에서, PCB(3)는 폭이 20 ㎜이고, 접지면(5)이 없는 안테나 영역(6)은 길이가 15 ㎜이다. 안테나의 긴 하부 부분(7)은 일반적으로 2.4 GHz의 방사(radiation)를 책임지고, 상부 부분(1, 2)은 5 GHz의 방사를 책임진다. 안테나의 높이는 이의 최장 부분에서 3.2 ㎜이다.

2.40 GHz 내지 2.48 GHz의 WLAN 대역에서, 모노폴 안테나(1, 2)는 단지 대략 λ/6만큼 이격되고, 이에 따라 이들 사이의 격리가 대략 -6 dB에서 열악하다(도 2 참조). 4.9 GHz 내지 5.9 GHz의 WLAN 대역에서, 모노폴 안테나(1, 2)는 전기적으로 추가로 이격되지만 그렇다 할지라도 최악의 경우 격리는 대략 -8 dB에서 열악한 상태로 유지된다.

본 출원의 실시 형태의 메타물질 구조물이 도 3에서 도시된다. 복수의 전도성 LC(유도 용량성) 소자(8)가 FR4 기판(9)의 단일 표면 상에 인쇄되고 지면에 대한 어떠한 비아(via)도 필요로 하지 않는다(일부 메타물질 구조물 내에서 사용됨). 도시된 실시 형태에서, 소자(8)들은 서로 전도적으로 연결되지 않는다. 각각의 소자(8)의 인덕턴스는 전도성 협트랩(10)으로부터 생성되며, 커패시턴스는 주로 밀접하게 이격되어 배치된 연속적인(back-to-back) L-형 소자(11)로부터 생성된다. 이중 L-형 메타물질의 사용은 문헌 [J. H. Lv, X. W. Hu, M.H. Liu, B. R. Yan and L. H. Kong.: "Negative refraction of a double L-shaped metamaterial", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11085101, 2009]에서 기재되지만, 여기서 하나의 L-형상이 다른 L-형상에 대해 뒤집히고 본 출원에 기재된 바와 같이 연속적이지 않다. 소자(8)가 위치(12)에 없는 도 3에 도시된 바와 같이, 소자(8)의 비충전된 어레이(unfilled array)를 사용하는 것이 선호되는 것으로 밝혀졌다. 소자의 제거는 대역폭을 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 대역폭을 특정 응용으로 조절하기 위하여 나머지 중심 소자(13)(이 실시예에서)를 상하로 이동시키는 것이 사용될 수 있다. 도 3의 메타물질 구조물은 대략 2.4 GHz에서 우수한 전자기 격리를 제공한다.

대안의 메타물질 설계가 도 4에 도시되며, 5 GHz 대역으로 조절된다. 도 3의 실시 형태에 따라, 복수의 전도성 LC 소자(8')가 FR4 기판(9)의 단일 표면 상에 인쇄되지만 도 4의 실시 형태에서 소자(8')는 서로 전도적으로 링킹되며 한 쌍의 근접하게 이격되어 배열된 칼럼과 같이 배열된다. 다른 배열도 가능하다.

알맞은 이중-대역 디바이스를 구현하기 위하여, 2개의 상이한 메타물질 표면들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 형태의 5 GHz 표면이 이중-대역 메타물질(14)을 제공하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 도 3의 실시 형태의 2.4 GHz 표면의 상부에 장착될 수 있고 이와 적절히 레지스트되거나 또는 정렬될 수 있다.

도 6에는, 도 5의 이중-대역 조합된 메타물질(14)이 모노폴 안테나(1, 2)들 사이에 배치되는, PCB(3) 상의 한 쌍의 모노폴 안테나(1, 2)의 완전한 구조물이 도시된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 이중-대역 메타물질(14)이 제 위치에 있는 상태에서, 안테나(1, 2)들 사이의 격리는 양 대역에서 향상된다. 더 낮은 2.4 GHz 대역에서, 격리는 매우 깊은 널(very deep null)을 가지며, 심지어 대역단(band edge)에서 이는 대략 -12 dB이다. 이는 대역의 중심에 널을 정확히 배치하기 위하여 메타물질(14)을 주의 깊게 조절함으로써 향상될 수 있다. 고주파수 대역에서, 대략 5 GHz에서의 격리는 -20 dB이다. 이 노치는 메타물질(14)을 재조절함으로써 4.9 GHz 내지 5.9 GHz의 임의의 부분으로 이동될 수 있다.

이중-대역 메타물질(14)의 하부 층은 비충전된 어레이이고, 중심 칼럼에서 이탈된 하나의 소자를 갖는다(도 3 참조). 칼럼 내에서 소자의 위치를 이동시키는 것은(도 8 참조) 2.4 GHz의 격리 주파수에 상당한 영향을 미치지 않고 5GHz 대역에서 격리의 대역폭을 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 이 효과는 도 9에 도시된다.

이 예시적인 배열에서, 2.4 GHz의 메타물질은 3x2 소자 어레이로서 도시되는 반면 5 GHz의 메타물질은 2x3 어레이로서 도시된다. 소자의 개수가 더 많거나 또는 적은 다른 어레이 구성이 가능한 것으로 이해될 것이다. 또한, 격리 효과의 대역폭을 조절하기 위하여 하나 초과의 어레이 소자가 제거될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

전술된 예시적인 배열에서, FR4가 기판 재료로서 사용된다. 저 및 고 유전 재료를 포함하는 많은 다른 유형의 기판 재료가 사용될 수 있다. 일반적으로, 메타물질의 유익한 특성은 어레이 내의 소자의 개수가 증가함에 따라 향상된다. 주어진 플랫폼 크기의 경우, 고 유전체 기판의 사용은 소자의 크기를 감소시키고 보다 많은 소자가 어레이 내에서 사용되도록 하기 위해 사용될 수 있다.

상기 예시적인 배열은 2개의 층을 포함하는 이중-대역 메타물질을 기재한다. 일반적으로, n-대역 메타물질이 n-층 기판을 사용하여 형성될 수 있다.

2개의 안테나들 사이의 격리가 상기 예시적인 배열로 기재될지라도, 더 많은 개수들 사이의 격리가 모든 쌍들 사이에 메타물질 소자를 적절히 배치함으로써 가능하다.

상기 예시적인 배열은 2개의 공면 안테나를 기재하지만, 기재된 메타물질은 또한 다른 기하학적 형상을 사용하여 배치된 안테나들 사이의 격리를 향상시키기 위해 사용될 수 있다.

도 10에는 분할-링 공진기(8)들 중 하나 이상이 다른 공진기와 상이한 크기를 가지며 유전체 기판(9) 상에 분할-링 공진기(8)의 2D 어레이를 포함하는 메타물질이 도시된다. 이는 더 넓은 대역폭에 걸쳐 격리의 제공을 도울 수 있다.

도 11에는 분할-링 공진기(8)들 중 하나 이상이 다른 공진기와 상이한 형상을 가지며 유전체 기판(9) 상에 분할-링 공진기(8)의 2D 어레이를 포함하는 메타물질이 도시된다. 이는 더 넓은 대역폭에 걸쳐 격리의 제공을 도울 수 있다.

도 12에는 유전체 기판(9)의 일 표면 상에 제1 구성을 갖는 분할-링 공진기(8)의 2D 어레이, 및 유전체 기판(9)의 다른 표면 상에 제2의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기(8')의 2D 어레이를 포함하는 메타물질이 도시된다. 이는 더 넓은 대역폭에 걸쳐 격리의 제공을 도울 수 있다.

도 13에는 유전체 기판(9)의 일 표면 상에 제1 구성을 갖는 분할-링 공진기(8)의 2D 어레이, 유전체 기판(9)의 다른 표면 상에 제2의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기(8')의 2D 어레이, 및 유전체 기판(9)의 표면들 사이에 제3의 상이한 구성을 갖는 분할-링 공진기(8")의 개재 2D 어레이를 포함하는 메타물질이 도시된다. 이는 더 넓은 대역폭에 걸쳐 격리의 제공을 도울 수 있다.

본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위를 통해, "포함" 및 "구비"라는 표현 및 이의 변형예는 "포함하지만 제한되지 않는다"는 의미이고, 다른 부분, 추가 부분, 구성요소, 정수 또는 단계를 배제하려는 의도가 아니다(배제하지 않는다). 본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위를 통해, 단수형은 문맥에서 달리 요구하지 않는 한 복수형을 포괄한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 단수형뿐만 아니라 복수형도 예상하는 것으로 명세서를 이해해야 한다.

본 발명의 특정 양태, 실시 형태 또는 실시예와 관련하여 기재된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 부분 또는 그룹은 양립불가능하지 않은 한도에서 본 명세서에서 기재되는 임의의 다른 양태, 실시 형태, 또는 실시예에 적용될 수 있다고 이해되어야 한다. 본 명세서에서 개시된 모든 특징(첨부된 청구항, 요약서 및 도면을 포함), 및/또는 이와 같이 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계는, 이러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합인 경우를 제외하고는, 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 상기 실시 형태의 세부사항으로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(첨부된 청구항, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 특징들 중 임의의 신규한 특징 또는 임의의 신규한 조합으로 확장되거나 또는 이와 같이 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계들 중 임의의 신규한 단계, 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.

독자는 이 출원과 관련하여 본 명세서와 동시에 출원되거나 본 명세서 이전에 출원되고 본 명세서와 함께 공중이 검토하도록 공개되어 있는 모든 논문 및 문헌에 주목해야 하고, 이러한 모든 논문 및 문헌의 내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.

Claims

하나 이상의 전도성 트랙에 의해 각각 형성된 단위 셀의 어레이를 포함하며,
하나 이상의 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙은 다른 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙과 상이한 길이 또는 폭 또는 두께를 갖는
메타물질.
제1항에 있어서,
유전체 기판 내에 또는 그 위에 형성된 단위 셀의 2D 어레이를 포함하는
메타물질.
제1항에 있어서,
단위 셀의 2D 어레이의 스택을 포함하고, 단위 셀의 각각의 2D 어레이는 각각의 유전체 기판 내에 또는 그 위에 형성되는
메타물질.
제3항에 있어서,
스택 내의 유전체 기판들 중 하나 이상의 유전체 기판은 상기 스택 내의 유전체 기판들 중 하나 이상의 다른 유전체 기판과 상이한 유전 상수를 갖는 재료로 제조되는
메타물질.
제1항에 있어서,
유전체 기판의 제1 표면 상에 단위 셀의 제1 2D 어레이, 및 유전체 기판의 마주보는 제2 표면 상에 단위 셀의 제2 2D 어레이를 포함하는
메타물질.
제5항에 있어서,
상기 제1 2D 어레이와 상기 제2 2D 어레이 사이의 유전체 기판 내의 개재 층 내 형성된 단위 셀의 하나 이상의 추가 2D 어레이를 추가로 포함하는
메타물질.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 2D 어레이의 단위 셀은 하나 이상의 다른 2D 어레이 내의 단위 셀의 하나 이상의 전도성 트랙과 상이한 길이 또는 폭 또는 두께를 갖는 하나 이상의 전도성 트랙에 의해 각각 형성되는
메타물질.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀은 분할-링 공진기로서 구성된 하나 이상의 전도성 트랙을 포함하는
메타물질.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 단위 셀은 분할-링 공진기로서 구성된 하나 이상의 전도성 트랙을 포함하는
메타물질.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀은 제1 및 제2 L-형 전도성 부재를 포함하며, 상기 전도성 부재들은 부재들 사이에 간격이 있는 상태에서 평면 내에 연속적으로 배치되고 상기 평면 내에서 L-형 전도성 부재 둘 모두를 실질적으로 둘러싸기 위해 제1 L-형 전도성 부재의 암으로부터 제2 L-형 전도성 부재의 암으로 이어지는 주변 전도성 트랙에 의해 서로 연결되는
메타물질.
제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀의 주변 전도성 트랙은 일반적으로 윤곽이 직사각형인
메타물질.
제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀의 주변 전도성 트랙은 일반적으로 윤곽이 원형, 타원형, 난형 또는 다각형인
메타물질.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 단위 셀에 대해, 연속적인(back-to-back) L-형 전도성 부재들 사이의 간격에 해당하는 주변 전도성 트랙 내에 간격이 형성되는
메타물질.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 소자에 대해, 주변 전도성 트랙이 2개의 L-형 부재들 사이에서 분할되지 않지만 연속적인 주연부를 형성하는
메타물질.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀 내에서 제1 및 제2 L-형 전도성 부재는 서로 상이하게 크기가 형성되고 및/또는 성형되는
메타물질.
제8항 또는 제9항에 있어서,
하나 이상의 분할-링 공진기가 비대칭 구조로 구성되는 메타물질.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 단위 셀은 상기 단위 셀이 상이한 주파수에서 공진하도록 상이한 크기 또는 형상을 갖는
메타물질.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 셀의 어레이는 충전된 어레이가 아니며, 하나 이상의 소자는 이로부터 제거되는
메타물질.
2개 이상의 안테나들 사이에 배치된 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같이 메타물질의 부분 및 기판 상에 배치된 2개 이상의 안테나를 포함하는
안테나 시스템.
실질적으로 첨부된 도면의 도 3 내지 도 13에 도시된 바와 같은 또는 이에 대해 전술된 바와 같은
메타물질.
실질적으로 첨부된 도면의 도 3 내지 도 13에 도시된 바와 같은 또는 이에 대해 전술된 바와 같은
안테나 시스템.